Do ECTODERMA ao SISTEMA NERVOSO ou Como fazer um …2015... · A aplicação de Shh na região dorsal do tubo neural gera motoneurônios Tubo neural normal Marcado para motoneurônio

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Do ECTODERMA ao SISTEMA NERVOSO

ouComo fazer um neurônio?

Irene Yan [email protected]

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Anatomical aspects of early neural development

A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de revestimento

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EctodermaEpiblasto Neurectoderma Progenitores neurais

Aspectos anatômicos do desenvolvimento neural inicial

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Fenda Neural

Dobra NeuralPonto de dobradiça

Placa Neural

1. Indução da formação da PLACA NEURAL pelo Mesoderma (Mudança na forma celular, expressão de marcadores gênicos)

2. Associação da Placa Neural com a Notocorda subjacente; constrição apical nas células da borda da Placa Neural

3. Dobramento da Placa Neural

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1. A convergência do Tubo Neural é uma combinação de fatores: Pressão lateral e constrição nos pontos de dobradiça

2. Fusão do Tubo Neural na porção dorsal concomitante com a Migração da Crista Neural

A migração das células da Crista Neural ocorre durante o fechamento do Tubo Neural

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EctodermaEpiblast Neurectoderma Progenitores Neurais

Indução DiferenciaçãoPadronização

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sobre sinalização celular...

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1. Como o neurônio se diferencia do ectoderma?

1. Já que o genoma das células de um embrião são iguais, o que faz com que uma célula seja diferente da outra?

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Expressão de genes e proteínas celulares

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Expressão de genes e proteínas celulares

2. O que determina o perfil de expressão celular?

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Durante a embriogênese, a célula integra diversos sinais extracelulares (ligantes) para determinar seu perfil de expressão gênica

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Existem várias formas de receber ligantes extracelulares:

Por contato direto

Por difusão de proteínas extracelulares

Por matriz extracelular

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•FGF (Fibroblast Growth Factor)

•Wnt

•BMP (Bone Morphogenic Protein)

•Ácido Retinóico

•Shh (Sonic Hedgehog)

Durante a embriogênese existem vários TIPOS de LIGANTES EXTRACELULARES

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O domínio neural já é especificado no epiblasto da blástula

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Ou seja, já na blástula as células do epiblasto :região central expressam genes de precursor neural região periférica expressam genes de precursores epidérmicos

Neural Epidermal

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A diferença entre a região neural e não neural é consequência da presença ou ausência deBMP (sinal azul) no epiblasto: região central ausenteregião periférica presente

BM

P7

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O BMP (Bone Morphogenic Protein) é uma proteína extracelular que atua como ligante de uma via de sinalização, culminando na repressão ou ativação gênica

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A notocorda contribui para a diferenciação da PLACA NEURAL, precursor do sistema nervoso

**

*

Fenda Neural

Placa Neural

A placa neural tem origem ectodérmica

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A notocorda secreta proteínas que inibem a sinalização do BMP (Bone Morphogenic Protein)

Noggin, um inibidor de BMP

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Os inibidores de BMP são proteínas extracelulares atuam evitando a ligação de BMP com o seu Receptor

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http://www.hhmi.ucla.edu/derobertis/EDR_MS/chd_page/chordin.html

EMBRIÃO DE ANFÍBIO COM EXCESSO DE CHORDIN (inibidor de BMP)

controle

Chordin em excesso



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Mas isto é suficiente para determinar todos os compartimentos rostro-caudais do tubo neural?

sobre o eixo rostro-caudal do tubo neural

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Prosencéfalo

Mesencéfalo

Rombencéfalo

PROSENcéfalo

TELENcéfalo

DIENcéfalo

MESENcéfalo

ROMBENcéfalo

METENcéfalo

MIELENcéfalo

Prosencéfalo

Telencéfalo

Diencéfalo

Hemisfério cerebralLóbulos olfatórios

Epífise; Tálamo; Hipotálamo IInfundíbulo

Mesencéfalo Colículos; pedúnculo cerebral

Rombencéfalo

Metencéfalo

Mielencéfalo

CerebeloPonte

Bulbo

Medula Espinhal

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O MIELENCÉFALO é dividido em segmentos chamados de rombômeros

Nat Rev Neurosci. 2005 Jul;6(7):553-64.

Ao todo, são visíveis anatomicamente 7 rombômeros

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Eliane Rossi

Cada rombômero expressa genes distintos


Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., 2007. Brazilian journal of medical and biological research 40(10), pp.1333–8.

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As estruturas do Sistema Nervoso Central de Primatas e outros mamíferos são similares

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Lumsden, A. & Graham, A., 1995. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.

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PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL

Embryonic response

Ectoderm

Ectoderm

Ectoderm

Mesoderm graft

Ectoderm

Rostral

Caudal

Midbrain

Midbrain

Secondary neural axis AP level

Secondary neural axis AP level

Existe um outro sinal que determina o padrão rostro-caudal ?Otto Mangold´s experiment

Modified from Stern, C.D., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(2), pp.92–8.

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O mesoderma subjacente à placa neural provê uma gradiente de sinais padronizadores.

control Retinoic Acid

Exposição a excesso de ÁCIDO RETINOICO gera mutantes caudais(com tubo neural caudal apenas)

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O mesoderma subjacente à placa neural provê uma gradiente de sinais padronizadores.

MAS ISTO È SUFICIENTE??!!

Eliane Rossi

Cada rombômero expressa genes distintos


Rossi, E., Siwiec, F. & Yan, C.Y.I., 2007. Brazilian journal of medical and biological research 40(10), pp.1333–8.

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Vieira, C. et al., 2010. The International journal of developmental biology, 54(1), pp.7–20.

Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(7), pp.484–91.

The Mid-hindbrain compartments express specific markers

Otx2: rostral to isthmusGbx2: caudal do IsthmusEn1: caudal mesencephalon, at the Isthmus, rostral metencephalon

Wang, V.Y. & Zoghbi, H.Y., 2001. Nature reviews. Neuroscience, 2(7), pp.484–91.

Does the isthmus have ORGANIZER properties (determine patterning)? OrWill the isthmus re-pattern the graft?

Flip rostro-caudally

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Martinez, S. & Alvarado-Mallart, R.M., 1990. Developmental biology, 139(2), pp.432–6.

control transplantcontrol transplant

transplant

Engrailed

Isthmus

The isthmus can re-specify the rostro-caudal pattern in the mesencephalon

Existem várias formas de receber ligantes extracelulares:

Por contato diretoPor difusão de proteínas extracelulares

Por matriz extracelular

?

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•FGF (Fibroblast Growth Factor)

•Wnt

•BMP (Bone Morphogenic Protein)

•Ácido Retinóico

•Shh (Sonic Hedgehog)

A região do istmo expressa FGF

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HIPÒTESE:O FGF do istmo determina o padrão rostro-caudal do mesencéfalo

O QUE ACONTECERIA COM O MESENCÉFALO NA SITUAÇÃO DE excesso DE FGF?

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normal excesso

O FGF éa) Suficiente para expansão do

mesencéfalob) Necessário para expensão

do mesencéfaloc) Necessário e suficiented) Impossível dizer

Ms= mesencéfalo


PADRONIZACÃO ROSTRO-CAUDAL DO TUBO NEURAL

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Nature Reviews Neuroscience 2, 99-108 (February 2001)

Os segmentos do tubo neural recebem vários sinais extracelulares

A identidade de cada segmento é o resultado do somatório de sinais


Shh+Wnt

Shh+Wnt+BMP

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PADRONIZACÃO DORSO-VENTRAL DO TUBO NEURAL

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sobre o eixo DORSO-VENTRAL do tubo neural

Dica do dia:Vias AFERENTES:Aceita estímulo sensorialFica ACIMA/dorsal

Vias EFERENTES:Emite estímulo MotorFica Ventral

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As vias AFERENTES sensoriais conectam com o corno DorsalAs vias EFERENTES motoras são formadas no corno ventral

•Placa Alar (dorsal e sensitivo-AFERENTE)•Placa Basal (ventral e motorEFERENTE)

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Assimetria dorso-ventral do sistema nervoso central

Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., 2006. Nature reviews. Neuroscience, 7(2), pp.103–14.

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A formação do tubo neural se dá pela elevação das DOBRAS NEURAIS e a perda da conexão do tubo com o ectoderma de revestimento

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Lumsden, A. & Graham, A., 1995. A forward role for Hedgehog. Current Biology, 5(12), pp.1347–1350.

O Tubo neural está numa posição anatômica assimétrica:

Dorsal: EpidermeVentral: Notocorda

HIPÓTESE:

A assimetria dorso-ventral da medula espinhal é consequência da assimetria DV do tubo neural

embrionário

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Comprovação: Transplante de notocordana região lateral induz motoneurônios

NOTOCORDA

TRANSPLANTE DE NOTOCORDA

NOTOCORDA

Motoneurônios

Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., 2000. Development 127(22), pp.4855–66.Gilbert Developmental Biology 8th ed.

The neural tube is generated with a molecular assymmetry:

Dorsal: Epidermis > BMP family membersVentral: Notochord > Sonic Hedgehog > BMP inhibitors

BMPs / Shh

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HIPÓTESE?

Shh gera motoneurônios

COMO TESTAR ESTA HIPÓTESE?

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(Roelink et al, 1994)

A aplicação de Shh na região dorsal do tubo neural gera motoneurônios

Tubo neural normalMarcado para motoneurônio

Tubo neural com Shh/VhhMarcado para motoneurônio

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Nature 412, 194-198 (12 July 2001)

Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios

Normal Mutante

Det

ecçã

o de

m

oton

eurô

nio

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The relative proportion of Shh vs BMP signalling determines cell fate in the DV axis

Existe uma relação de dose-resposta para Shh e BMP ?

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Liem, K.F., Jessell, T.M. & Briscoe, J., 2000. Development, 127(22), pp.4855–66.

Shh

BMP

A concentração relativa de Shh e BMP determina a identidade do neurônio no eixo DV

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sobre síndromes...

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O Shh é produzido na notocorda, tubo digestório e broto do membro

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Nature 412, 194-198 (12 July 2001)

Camudongos com deleção para o gene Shh carecem de motoneurônios e apresentam anomalias do S. Nerv. Central, dos membros e do sist. Digestório

Normal Mutante

Det

ecçã

o de

m

oton

eurô

nio

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Camudongos com EXCESSO do gene Shh apresentam polidactilia

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Síndromes = Efeito Eddie Murphy

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BM

PB

MP

Shh

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Populações celulares em posições diferentes recebem estímulos extracelulares distintos

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1

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Shh+Wnt

Shh+Wnt+BMP

Lupo, G., Harris, W. a & Lewis, K.E., 2006. Nature reviews. Neuroscience, 7(2), pp.103–14.

E tem mais...…

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1. MATRIX

1. MATRIX

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http://plus.maths.org/content/matrix-simulating-world-part-ii-cellular-automata

O somatório de todos os sinais forma uma matriz em 3D que determina a via de diferenciação

Waddington´s Hill: A visual model to explain the process of differentiation

2. DECISÕES

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Ectoderm

Epithelium Neural

BMPShhBMPShh

RA, FGF, WntRA, FGF, Wnt

Rostral-caudal Dorso-ventral

NeuralNeural

Neural

Proliferation Differentiation

Neural

Indu

ctio

nP

atte

rnin

g

E não se esqueçam, células se movem durante a embriogênese.

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Síndromes = Efeito Eddie Murphy3. EDDY MURPHY

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